Einführung
Wärmepumpen gewinnen als Heizgeräte, die fossile Brennstoffe ersetzen können, als wirksames Mittel zur Bekämpfung der globalen Erwärmung und zur Förderung der CO2-Neutralität zunehmend an Bedeutung. Die Effizienz von Wärmepumpen wurde zwar verbessert, der Effizienzanstieg verlangsamt sich jedoch. Um die Effizienz von Wärmepumpen weiter zu steigern, kann der Einsatz effizienter Wärmeübertragung und Wärmespeicherung neben der Effizienzsteigerung der Geräte selbst für effiziente Kühlung, Heizung und Warmwasserversorgung bei Bedarf und in der gewünschten Menge sorgen.
Vorteile der Wärmespeicherung
Wärmespeicherung ist die Speicherung thermischer Energie. Erd- und Wasseroberflächen eignen sich als Wärmespeicher mit großer Kapazität, da sie Sonnen- und atmosphärische Energie speichern. Wärmespeicherung bietet viele Vorteile:
Durch die Nutzung einer großen, mit geringer Kapazität gespeicherten Wärmemenge zum Zeitpunkt des maximalen Bedarfs kann die Leistung der Wärmequelle reduziert und das zeitliche Ungleichgewicht der Wärmenutzung ausgeglichen werden.
Der Stromverbrauch kann zwischen Nacht- und Tagzeiten ausgeglichen werden, indem Wärme gespeichert wird, indem Strom nachts verwendet wird, wenn der Stromverbrauch niedrig ist, und die Wärme während des Tagesbetriebs genutzt wird, um den Stromverbrauch zu senken.
Ein effizienter Betrieb wird durch die Nutzung des Temperaturunterschieds zwischen Tag und Nacht sowie durch Wärmespeicherung ermöglicht. Beispielsweise wird im Sommer nachts, wenn die Temperatur niedriger ist als tagsüber, die Eiswärme effizient gespeichert und tagsüber zur Kühlung genutzt, um die Kondensationstemperatur für einen effizienten Betrieb zu senken.
Durch den Einbau eines Wärmespeichers in die Außeneinheit der Wärmepumpe lässt sich der Komfort steigern. So kann die Wärme beispielsweise genutzt werden, um ein Absinken der Raumtemperatur während des Heizbetriebs durch Abtauvorgänge zu verhindern und zu Beginn des Heizbetriebs warme Luft schnell auszublasen.
Die Nutzung erneuerbarer Energien wie Solarenergie, Geothermie und Fabrikabwärme wird durch den Einsatz von Wärmespeichern einfacher.
Wärmespeichertypen
Es gibt verschiedene Methoden der Wärmespeicherung.
Sensible Wärmespeicherung ist eine Methode zur Speicherung von Wärmeenergie durch Nutzung von Temperaturschwankungen in Flüssigkeiten wie Wasser und Feststoffen wie Ziegeln und Beton und ist weit verbreitet. Beispielsweise wird die sensible Wärmespeicherung mit Wasser für Luft-Wasser-Wärmepumpen (ATW) zur Warmwasserbereitung und Raumheizung eingesetzt. Am Beispiel von Betongebäuden werden Decken, Böden, Wände usw. als Wärmespeichermaterialien genutzt. Da sensible Wärmespeicher eine relativ geringe Wärmespeicherdichte aufweisen, wird die gespeicherte Wärmemenge durch die Vergrößerung der Temperaturdifferenz des Wärmespeichermaterials erhöht.
Phasenwechsel-Wärmespeicherung oder Latentwärmespeicherung ist eine Methode zur Wärmespeicherung, bei der die thermische Energie beim Übergang von einem Stoff in einen festen oder flüssigen Zustand abgegeben oder aufgenommen wird. Sie hat eine höhere Wärmespeicherdichte als sensible Wärmespeicherung. Ein Beispiel für die Anwendung von Phasenwechsel-Wärmespeicherung sind thermische Speicherklimaanlagen, die die durch den Phasenwechsel von Wasser und Eis entstehende latente Wärme nutzen. Ein weiteres Beispiel sind Heizgeräte, die Paraffin mit hohem Anteil latenter Wärme als Wärmespeichermaterial zur Leistungssteigerung verwenden. Darüber hinaus werden Phasenwechsel-Wärmespeicher-Funktionspolymere, Harze mit Wärmespeichereigenschaften, als Dämmstoffe für Fußbodenheizungen in Häusern eingesetzt.
Chemische Wärmespeicherung ist eine Methode zur Speicherung und Ableitung von Wärme, die durch eine chemische Reaktion entsteht. Diese wird ausgelöst, wenn Reaktionsmedium und Wärmespeichermaterial miteinander in Kontakt kommen. Werden Reaktionsmedium und Wärmespeichermaterial getrennt, kann der Wärmespeicherzustand über einen langen Zeitraum aufrechterhalten werden. Da die Reaktionstemperatur zur Wärmeerzeugung jedoch über 200 °C liegt, wird derzeit an der Nutzung von Fabrikabwärme mit hohen Temperaturen geforscht und entwickelt.
Systeme mit Wärmespeicherung
Wärmespeichersysteme gibt es in verschiedenen Formen und Ausführungen, beispielsweise ATW-Wärmepumpen zur Warmwasserbereitung und Raumheizung, Eisspeichersysteme und Gebäudeklimaanlagen mit Wärmespeicherung. Die Entwicklung von Wärmespeichersystemen in Kombination mit Solarenergie, Geothermie, Fabrikabgasenergie usw. wird ebenfalls aktiv vorangetrieben, und es wurden bereits zahlreiche neue Wärmespeichersysteme vorgestellt.
Probleme mit der Wärmespeicherung
Wärmespeicherung bietet viele Vorteile, bringt aber auch Herausforderungen mit sich. Erstens der Wärmeverlust. Zweitens der Unterschied in der Wärmeaustauschtemperatur zwischen Speicherperioden und Wärmeabfuhr, der zwar notwendig ist, aber zu einem Effizienzverlust führt. Drittens der Bedarf an Ausrüstung, Platz usw. für die Wärmespeicherung, wie z. B. Speichertanks und Pools. Es ist wichtig, diese Herausforderungen zu bewältigen, um die Wärmespeicherung einfacher und effektiver zu gestalten.
Um beispielsweise den als erstes genannten Wärmeverlust zu reduzieren, ist es wichtig, den Wärmespeicher zu isolieren. Daher wurden verschiedene Wärmedämmstoffe wie Steinwolle, Glaswolle, Polyethylenschaum, Urethanschaum und Vakuumdämmstoffe entwickelt. Diese Wärmedämmstoffe müssen neben ihrer Wärmedämmleistung auch hitzebeständig, feuchtigkeitsbeständig und langlebig sein. Vakuumdämmstoffe gelten als ideale Dämmstoffe und werden aufgrund ihrer geringeren Dicke und Kosten für Warmwasserspeicher, Wärmespeicher und Häuser eingesetzt. Auch die Wärmedämmung von Häusern und Gebäuden ist im Zusammenhang mit der Wärmebelastung durch Klimaanlagen ein wichtiges Thema.
Abschluss
Die moderne Gesellschaft verbraucht viel Energie, und die damit einhergehende große Abwärme verursacht die globale Erwärmung. Um dem entgegenzuwirken, ist die Entwicklung eines Systems zur Nutzung der erzeugten Abwärme, zur Verbesserung der Energieeffizienz und zur Senkung des Energieverbrauchs unerlässlich. Wärmepumpen und Wärmespeicher sind Technologien, die diese Ziele erreichen. Weitere Forschung und Entwicklung sind daher erforderlich.
Wichtige Entwicklungsthemen sind die schnelle Wärmeübertragung bei der Wärmespeicherung in einem Behälter und die verlustarme Wärmeableitung aus dem Behälter sowie eine höhere Wärmedichte des Wärmespeichers. Die Realisierung eines kompakten, leistungsstarken und kostengünstigen Wärmespeichersystems wird dessen Anwendungsbereich erheblich erweitern. Die Realisierung von Wärmepumpen mit derartigen verbesserten Wärmespeichersystemen könnte neue Systeme ermöglichen, ähnlich wie Elektrofahrzeuge und Drohnen mit hochdichten Batterien entwickelt wurden.
Veröffentlichungszeit: 28. Juni 2023
